VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Известно, что Земля в сейсмическом (тектоническом) смысле состоит из ядра, мантии и коры. Рассмотрим, что такое мантия. Мантия – это часть Земли, расположенная непосредственно под корой и выше ядра (рис. 1). Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2900 км от земной поверхности. Мантия Земли сложена преимущественно перидотитами – породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и др. Частичное плавление мантийных пород порождает базальтовые и им подобные расплавы, формирующие при подъёме к поверхности земную кору [1].

Рисунок 1. Структура Земли

Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей – от 7 до 8-8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км [2].

Выше границы 670 километров находится верхняя мантия, а ниже, соответственно, нижняя. Эти две части мантии имеют различный состав и физические свойства. Хотя сведения о составе нижней мантии ограничены, и число прямых данных весьма невелико, можно уверенно утверждать, что её состав со времён формирования Земли изменился значительно меньше, чем верхней мантии, породившей земную кору [1].

Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.

Мантию изучают по следующим данным:

- Геофизические данные – данные о скоростях сейсмических волн, электропроводности и силе тяжести.

- Мантийные расплавы - перидотиты, базальты, коматииты, кимберлиты, лампроиты, карбонатиты и некоторые другие магматические горные породы образуются в результате частичного плавления мантии.

- Фрагменты мантийных пород, выносимые на поверхность мантийными же расплавами — кимберлитами, щелочными базальтами и др. Это ксенолиты, ксенокристы и алмазы. Алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты земли, доступные непосредственному изучению.

- Мантийные породы в составе земной коры - такие комплексы в наибольшей степени соответствуют мантии [2].

Мантия сложена главным образом ультраосновными породами: перовскитами, перидотитами (лерцолитами, гарцбургитами, верлитами, пироксенитами, дунитами) и в меньшей степени основными породами — эклогитами.

Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты. Содержание основных элементов в мантии Земли в массовых процентах приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Содержание основных элементов в мантии Земли в массовых процентах

Элемент	Концентрация		Оксид	Концентрация
O	44,8
Si	21,5		SiO2	46
Mg	22,8		MgO	37,8
Fe	5,8		FeO	7,5
Al	2,2		Al2O3	4,2
Ca	2,3		CaO	3,2
Na	0,3		Na2O	0,4
K	0,03		K2O	0,04
Сумма	99,7		Сумма	99,1

Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов, а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия:

- пиролитовая – главные минералы – оливин, пироксены и гранат в отношении 4 : 2 : 1;

- пиклогитовая – главные минералы – пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%;

- эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит .

Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии, простирающейся до глубин ~ 670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/) ~ 2, оказываясь ближе к оливину , чем к пироксену , а среди минералов преобладают перовскитовые фазы с различными структурными искажениями, магнезиовюстит со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.

В целом минералогический состав этой части верхней мантии представляется более или менее ясным. Если говорить о пиролитовой минеральной ассоциации, то ее преобразование вплоть до глубин ~ 800 км исследовано достаточно детально.

Важнейший компонент химического состава зоны 400-670 км - вода, содержание которой, по некоторым оценкам, составляет ~ 0,1 вес. % и присутствие которой в первую очередь связывают с Mg-силикатами. Количество запасенной в этой оболочке воды столь значительно, что на поверхности Земли оно составило бы слой мощностью 800 м [3].

Проведенные в последние два-три десятилетия исследования структурных переходов минералов с использованием рентгеновских камер высокого давления позволили смоделировать некоторые особенности состава и структуры геосфер глубже границы 670 км.

В настоящее время большинство исследователей согласны с идеей о том, что вся эта глубинная (нижняя) мантия в основном состоит из перовскитоподобной фазы , на долю которой приходится около 70% ее объема (40% объема всей Земли), и магнезиовюстита (~20 %). Оставшиеся 10% составляют стишовит и оксидные фазы, содержащие Ca, Na, K, Al и Fe, кристаллизация которых допускается в структурных типах ильменита-корунда (твердый раствор -,), кубического перовскита (,) и Са-феррита () [3].

Выделение отдельных промежуточных сейсмических границ, расположенных ниже рубежа 670, коррелирует с данными о структурных трансформациях мантийных минералов, формы которых могут быть весьма разнообразными. Иллюстрацией изменения многих свойств различных кристаллов при высоких значениях физико-химических параметров, соответствующих глубинной мантии, может служить, согласно Р. Жанлозу и Р. Хейзену, зафиксированная в ходе экспериментов при давлениях 70 гигапаскалей (ГПа) (~ 1700 км) перестройка ионноковалентных связей вюстита в связи с металлическим типом межатомных взаимодействий. Рубеж 1200 может соответствовать предсказанной на основе теоретических квантово-механических расчетов и впоследствии смоделированной при давлении ~45 ГПа и температуре ~2000 0С перестройке со структурой стишовита в структурный тип (ромбический аналог рутила ), а 2000 км – его последующему преобразованию в фазу со структурой, промежуточной между a- и , характеризующуюся более плотной упаковкой кремнийкислородных октаэдров [2]. Также начиная с этих глубин (~ 2000 км) при давлениях 80-90 ГПа допускается распад перовскитоподобного Mg, сопровождающийся возрастанием содержания периклаза MgO и свободного кремнезема.

Общее заключение таково, что на таких глобальных сейсмических рубежах, как 410 и 670 км, происходят значительные изменения в минеральном составе мантийных пород. Минеральные преобразования отмечаются также и на глубинах ~ 850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 км, то есть в пределах нижней мантии. Это весьма важное обстоятельство, позволяющее отказаться от представления об ее однородной структуре.

Литература:

1. http://lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0129270 – Мантия Земли – Энциклопедия – Фонд знаний «Ломоносов».

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Мантия_Земли – Мантия Земли – Википедия.

3. Пущаровский, Д.Ю. Пущаровский, М.Ю. Состав и строение мантии Земли. Соросовский образовательный журнал. 1998, N11, стр. 111-119.

Код для цитирования: Скопировать